一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎制造技術

本發明專利技術提供了一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，為海上風能開發服務。基礎由若干預制的預應力鋼筋混凝土裝配構件組成，該裝配構件為內部中空圓柱，柱壁預留預應力鋼筋孔道，底部帶圓形的翼緣板，通過后張預應力組裝保證Spar基礎的整體剛度，提高抗裂防腐性能。翼緣板的底部中心設置與中空圓柱外直徑相同的圓形凹槽，以加強裝配結構的整體穩定性和水密性。最底部構件中可填充固、液體壓載物。基礎的水上高度約占基礎總高的1/5~1/10，風力發電機安裝于立柱的頂部。柱身預埋導纜裝置，翼緣設置導纜孔，系泊線與海底錨相連。與傳統鋼結構的Spar型基礎相比，預制裝配構件采用輕質高強海工混凝土制造，施工工藝簡單，能減少場地占用、降低施工難度和成本，可通過調節預制構件的數量以適配不同功率的風機和水深。

【技術實現步驟摘要】
一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎
本專利技術屬于風力發電領域，涉及一種海上漂浮式風機基礎。
技術介紹
陸地風資源的逐步枯竭將人類的視線轉移到了清潔能源的新方向——海上風電。海上風電具有風速高、電量大、運行穩定、適合大規模開發等優勢，且海上風能資源最豐富的東南沿海地區，毗鄰用電需求大的經濟發達地區，可以實現用電就近消化，降低輸送成本，發展潛力巨大。據估算，海上風能資源的能量效益比陸上風電要高20％至40％。對于水深大于40米的深水海洋環境，漂浮式的風機基礎經濟性更好。與海上風機的固定基礎相比，漂浮式風機基礎的優勢包括：(a)受水深限制小，風場地址選取更靈活；(b)遠海上風資源量更足、質更高；(c)風機、浮式基礎及系泊錨的海上安裝工藝簡單，大部分施工可在港口完成；(d)受海床地基條件的影響小，成型方案可移植性高；(e)可安裝在遠海消除對近海景觀的視覺污染。目前，依托于石油工業的海洋平臺技術，主要存在三種浮式風機基礎：單柱型(Spar)、張力腿型(Tension-LegPlatform,TLP)、半潛型(Semi-Submersible)。張力腿型的浮式基礎具有非常好的垂蕩和轉動穩性，但張力腿造價高、安裝復雜，潮汐變化也會影響系泊腿中張力大小，且上部結構與張力腿系統的同頻耦合振動都使得此類系統難于設計與施工。單柱型基礎結構簡單，通過降低重心及較大的吃水深度，可提供足夠回復力矩和穩性，其在豎向波浪外激力較小，具有較好的垂蕩穩性。但較小的水線面面積無法貢獻橫搖及縱搖兩個方向的穩性，風機的傾覆力矩將降低基礎穩定和風機效率。本專利技術利用液體壓載提供的回復力矩，能夠克服立柱式基礎大傾角穩性不足的問題。此外，依靠分散柱體穩定的半潛式多柱平臺水線面積較小(材料省)卻能提供較大的回復力矩，在保證經濟性的前提下，平臺穩定性最好。此外，該基礎和風機的施工安裝均可在港口完成，拖航至海上風場下錨固定。基于以上分析，國際上提出的浮式風機概念設計很多，而目前已建造運營的浮式海上風機其中部分采用了立柱式半潛基礎，包括有挪威的SWAY及Hywind2.3MW，以及日本FukushimaForward項目中的Hamakaze5MW。如圖1所示，SWAY是一臺1:6的測試風機，2011年3月安裝于挪威卑爾根沿海，基礎由一根立柱組成，全尺寸SWAY風機能夠承受26米高巨浪，而該縮尺風機僅可經受4米高海浪。當年11月，一次超過6米的波浪導致風機沉沒。如圖2所示，Statoil公司的Hywind立柱式風機2009年9月安裝于挪威離岸10公里的西南沿海，基礎的立柱由鋼材制造，底部填入了壓艙水和石塊，水下長度為100米，通過三點懸鏈系泊保持風機不發生漂移。自2010年以來，已發電32,5GWh。基于該測試風機的設計，英國蘇格蘭海域正在籌劃建立5臺6MW的30MW的浮式風機風場。如圖3所示，日本FukushimaForward項目第二階段(2014-2015)包括建造一臺5MW的漂浮式風機FukushimaHamakaze，采用鋼材制造，吃水33米，立柱底部有一邊長為30米的正六邊形截面柱體。為了提高穩性，在水線面附近也設置了相同截面的艙室。海上浮式風機基礎的設計并不能完全按照成熟的油氣海洋平臺設計方法進行。一方面，一部5MW風機的重量(700ton)約為一般海洋平臺上部結構重量的十分之一甚至更小，因此浮式風機基礎在波浪力作用下的動力響應將更大。另一方面，海洋平臺的鉆井及輸油升管無法承受較大的豎向變形，因此對垂蕩運動的抑制至關重要，而搖擺對平臺的安全運營影響較小。海上風機對浮式基礎平臺的水動力特性要求恰恰相反，垂蕩運動對于風機采能影響不大，只有足夠小的縱搖及橫搖自由度動態響應才能保證風機的高效運轉。
技術實現思路
為了解決水深50米以上的海上風機基礎，充分應用了空氣動力學、結構力學及水動力學原理，其特點是結構簡單，傳力清晰，施工方便，材料可因地選取，工作狀態穩定，自存能力強。采用現澆高強混凝土制造基礎構件，養護成型后張拉預應力，灌注防水砂漿保證水密性，適合在岸邊淺水港口碼頭施工拼裝，可支撐目前主流5MW級別以上的風機，保證正常作業、極限自存下的結構強度和風能轉化效率。本專利技術中浮式基礎包括一個或多個混凝土裝配式構件和一個混凝土裝配式壓載物艙，風力發電機安裝在立柱頂部，立柱的各個預制裝配式構件通過預應力鋼筋和密實砂漿相連。與傳統的鋼結構立柱式基礎相比，本專利技術的裝配式預應力鋼筋混凝土基礎的優勢和原創性包括：1)材料使用更省，造價更低；2)能通過混凝土裝配式構件數量對柱身的長度進行控制；3)采用預制裝配式結構，能使建造施工工藝更加簡化；4)采用預應力鋼筋混凝土結構能加強基礎的整體強度與穩定性。除此之外，作為本專利技術的進一步改進，基礎結構采用高強混凝土現澆建造單個構件，其中預留孔道，通過后張法為結構提供預應力。作為本專利技術的進一步改進，基于浮體穩性及水動力學基本原理，立柱的裝配式構件及其翼緣板可采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面。作為本專利技術的進一步改進，立柱構件底部設置的圓形翼緣板可起到消波消能，增加阻尼，抑制渦激振動。作為本專利技術的進一步改進，在立柱及浮筒中設置有多個艙室，用于存放內部液體壓載物。調節內部壓載物的初始質量及初始位置，使風機傾角在風速氣象統計的大概率值附近為零。作為本專利技術的進一步改進，作業狀態下，基礎在水面上的高度大于10米，避免上浪造成風機設備浸水破壞。作為本專利技術的進一步改進，系泊系統采用懸鏈狀系泊，保證系統的位置保持，不發生漂移。附圖說明結合以下附圖及實施例的描述，可使本專利技術的優點及原創性更加清晰和易于理解，其中：圖1是挪威卑爾根沿海的SWAY立柱式漂浮風機設計圖及在海上作業的照片；圖2是挪威Statoil的Hywind2.3MW立柱式漂浮風機設計圖及在海上作業的照片；圖3是日本福島的Hamakaze5MW立柱式漂浮風機設計圖及在海上作業的照片；圖4是本專利技術——Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎的等軸視圖；圖5是本專利技術——混凝土標準裝配構件的等軸視圖；圖6是本專利技術——混凝土標準裝配構件的剖面圖；圖7是本專利技術——混凝土壓載物裝配構件的剖面圖。具體實施方式下面結合附圖說明，以5MW水平軸風機為例，詳述本專利技術的一個實施例。本專利技術提出了一套水深50米以上的海上風機基礎，充分應用了空氣動力學、結構力學及水動力學原理，其特點是結構簡單，傳力清晰，施工方便，材料可因地選取，工作狀態穩定，自存能力強。圖4是本專利技術——Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎的等軸視圖，圖5是本專利技術——混凝土標準裝配構件的等軸視圖，圖6是本專利技術——混凝土標準裝配構件的剖面圖，圖7是本專利技術——混凝土壓載物裝配構件的剖面圖。本專利技術的Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎包括由多個鋼筋混凝土標準裝配構件和一個鋼筋混凝土壓載物裝配構件。立柱的總長度約為60米～100米。在立柱頂部與風力發電機的塔筒(4)相連，風機還包括機艙(5)及葉片(6)等關鍵部件。立柱水下底端通過一個或者多個混凝土標準裝配構件(1)拼裝而成，最底端與混凝土壓載物裝配構件(2)相連接。本專利技術中采用的混凝土標準裝配構件(1)的形狀為一個底部帶圓形翼緣板(8)的中空圓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，其特征在于所述基礎包括：多個鋼筋混凝土標準裝配構件（1）；一個鋼筋混凝土壓載物裝配構件（2）；裝配構件均采用輕質高強海工混凝土建造；基礎由各裝配構件通過后張預應力鋼絞線一體成型，總長度約為60米~100米；水密砂漿填充于構件間縫隙；柱身設置懸鏈系泊，其海底端與固定在海床上的拖拽式錨連接。

【技術特征摘要】
1.一種Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，其特征在于所述基礎包括：多個鋼筋混凝土標準裝配構件（1）；一個鋼筋混凝土壓載物裝配構件（2）；裝配構件均采用輕質高強海工混凝土建造；基礎由各裝配構件通過后張預應力鋼絞線一體成型，總長度約為60米~100米；水密砂漿填充于構件間縫隙；柱身設置懸鏈系泊，其海底端與固定在海床上的拖拽式錨連接。2.根據權利要求1所述的Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，其特征在于：標準裝配構件（1）及壓載物裝配構件（2）的形狀為一個底部帶圓形翼緣板（8）的中空圓柱（7），高度約15-20米。3.根據權利要求1所述的Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，其特征在于：標準裝配式構件及其翼緣板可采用圓形或者帶圓倒角的矩形或正多邊形截面。4.根據權利要求1所述的Spar型裝配式預應力鋼筋混凝土浮式海上風機基礎，其特征在于：翼緣板...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李朝，肖儀清，溫宇鵬，韓喜雙，劉海濤，王曉璐，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東,44